CN107832544B - Ap1000核电屏蔽厂房在冲击荷载下的损伤预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种AP1000核电屏蔽厂房在冲击荷载下的损伤预测方法，属于AP1000屏蔽厂房的爆炸响应预测分析技术领域。通过数值模拟分析，确定了在爆炸荷载作用下，与损伤体积、损伤形状有关的物理量；通过分析不同工况，确定了损伤体积与炸药量、侧向刚度、混凝土强度有关；损伤形状与抗拉刚度有关；并拟合了损伤体积与损伤形状的预测公式，确保AP1000型核电屏蔽厂房在服役期间遭受爆炸冲击荷载的安全性和完整性，为制定屏蔽厂房在爆炸冲击荷载作用下的安全防护措施提供了参考依据。

Description

AP1000核电屏蔽厂房在冲击荷载下的损伤预测方法
技术领域
本发明属于AP1000屏蔽厂房的爆炸响应预测分析技术领域，涉及AP1000型核电屏蔽厂房结构在接触爆炸荷载下，损伤体积与形状的预测方法。
背景技术
近年来，许多国家接连发生了恐怖袭击爆炸事件，AP1000核电站的屏蔽厂房作为第一层外部防线，需要保证其在运行期间的安全性与完整性，避免由于结构损伤导致的核泄露。
因此，有必要对屏蔽厂房在冲击荷载作用下的损伤体积和损伤形状进行研究。
发明内容
本发明提供了核电屏蔽厂房结构在接触爆炸冲击荷载作用下损伤体积和损伤形状的预测方法，建立了损伤体积与侧向刚度、炸药量、混凝土强度之间的关系；建立了损伤形状与抗拉刚度之间的关系。
本发明的技术方案：
AP1000核电屏蔽厂房在冲击荷载下的损伤预测方法，步骤如下：
基于AUTODYN显示动力学软件，考虑了钢筋混凝土的应变率效应和孔板所引起的不对称性，建立AP1000屏蔽厂房三维全耦合模型，分析其在不同工况下的损伤体积与损伤形状，拟合出损伤体积与损伤形状的预测公式。
(1)建立AP1000屏蔽厂房三维全耦合模型
采用有限元分析软件ANSYS，建立AP1000核电屏蔽厂房精细化三维有限元模型。在不同高度处设置不同工况，如图5所示。
(2)损伤体积的预测
方法在三维有限元模型的基础上，进行损伤体积的预测，在接触爆炸中，冲击荷载一定下，结构的损伤主要与剪切破坏有关，侧向刚度是表征结构剪切变形的物理量，所以，寻找结构的损伤体积与侧向刚度之间的联系，并提出相应的预测公式。为了探讨不同程度的损伤，以结构贯穿破坏，即损伤因子为1时的损伤体积作为评价指标。
通过AUTODYN模拟AP1000屏蔽厂房在冲击荷载下的爆炸情况，分析其在不同炸药量下的损伤情况，并确定损伤体积与侧向刚度、炸药量之间的关系。在炸药量一定时，拟合损伤体积与侧向刚度之间的关系。通过数值分析，得出在炸药量一定情况下，损伤体积与侧向刚度大致呈线性关系，拟合曲线如图1，再分析5组不同炸药量下的损伤体积，进而得出了炸药量、侧向刚度与损伤体积之间的关系，如公式(1)：
Vd-pre＝2.57·W1/3+9.37×10-10·D·W1/3 (1)
式中，W为炸药量；
D为侧向刚度；
Vd-pre为未考虑混凝土强度的损伤体积。
以上分析是在混凝土强度为40MPa下得出的结果，下面分析不同混凝土强度对AP1000屏蔽厂房结构在冲击荷载下产生的损伤体积的影响，计算出不同混凝土强度下的损伤体积V'd-pre，以混凝土强度为40MPa为基准，根据公式(2)计算出损伤体积比Cration，绘制损伤体积比与混凝土强度之间的曲线，根据曲线拟合出公式(3)。
Figure GDA0002616090040000021
式中，Cration为损伤体积比；
V'd-pre＝96245.78·Vd-pre·fc -0.655 (3)
式中，fc为混凝土强度；
V'd-pre为考虑混凝土强度后的损伤体积；
将公式(1)代入(3)中，得到如公式(4)所示的关系：
V'd-pre＝247351.7·W1/3fc -0.655+9.02×10-5·D·W1/3·fc -0.655 (4)
通过以上过程的描述，建立了炸药量、侧向刚度、混凝土强度与损伤体积之间的关系，可以确定在不同混凝土材料、冲击荷载以及侧向刚度下，损伤的体积，为核电屏蔽厂房结构预测损伤体积提供了依据。
(3)损伤形状的预测
损伤形状由损伤形状的指标来表示，如公式(5)所示，即采用圆周环向、轴向长度的比值来表示，在爆炸荷载下，产生损伤的形状如图3所示，基于损伤体积的预测，进一步研究了损伤的形状，并建立了损伤形状指标与抗拉刚度之间的关系，拟合了如图2所示的损伤形状预测曲线，公式如下(6)：
DI＝A/B (5)
DI＝0.833+4.631×10-13·E·AR (6)
式中，A为爆炸荷载下圆周的环向损伤长度；
B为爆炸荷载下圆周的轴向损伤长度；
DI为损伤形状指标；
E·AR抗拉刚度；
值得注意的是，损伤形状只与抗拉刚度有关，与混凝土强度无关。
本发明的有益效果：
通过数值模拟分析，确定了在爆炸荷载作用下，与损伤体积、损伤形状有关的物理量；通过分析不同工况，确定了损伤体积与炸药量、侧向刚度、混凝土强度有关；损伤形状与抗拉刚度有关；并拟合了损伤体积与损伤形状的预测公式，确保AP1000型核电屏蔽厂房在服役期间遭受爆炸冲击荷载的安全性和完整性，为制定屏蔽厂房在爆炸冲击荷载作用下的安全防护措施提供了参考依据。
附图说明
图1为5个爆炸荷载下损伤体积与侧向刚度之间的关系示意图。
图2为不同混凝土强度下的损伤体积与40MPa下的损伤体积比拟合曲线示意图。
图3为损伤形状示意图。
图4为抗拉刚度与轴、环向长度比的关系示意图。
图5为爆炸位置的排列情况示意图。
图中：i水箱；ii楔形体，iii屏蔽厂房；Ⅰ爆炸位置1；Ⅱ爆炸位置2；Ⅲ爆炸位置3；Ⅳ爆炸位置4；Ⅴ爆炸位置5；1爆炸角度1；2爆炸角度2；3爆炸角度3；4爆炸角度4。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
对AP1000型核电屏蔽厂房进行数值模拟，考虑钢筋混凝土的高应变率效应，采用分离式配筋和耦合的欧拉-拉格朗日算法，建立AP1000型核岛厂房三维全耦合模型，运用显示动力学软件AUTODYN进行分析。
方法采取20个工况组合进行响应分析，选取了不同的爆炸位置和角度，如图5所示。在轴向，选取了厂房的4个典型部位作为爆源高程：(Ⅰ)设备孔轴向中间部位(20.75m)，(Ⅱ)圆柱高2/3处(42.5m)，(Ⅲ)空气孔下方5m处(55m)，(Ⅳ)锥形屋面中心1/2处(68m)，(Ⅴ)水箱中心处(76.75m)；考虑到屏蔽厂房设备孔的存在导致了厂房的非对称性，所以以环向每90度为一组工况，四个环向部位用1(0度)、2(90度)、3(180度)、4(270度)表示。研究表明，损伤体积与侧向刚度、炸药量、混凝土强度有关，损伤形状与抗拉刚度有关。利用AUTODYN软件分析这20种工况，进行接触爆炸数值模拟，重点关注屏蔽厂房在接触爆炸荷载作用下的压力波演化过程和损伤机理，对损伤体积和损伤形状进行预测。
(1)损伤体积的预测
通过图1，可以看出，在相同炸药量下，侧向刚度与损伤体积成线性关系，假定线性拟合公式如下：
Vd-pre＝a+b·D (7)
式中，a、b为待定系数；
损伤体积还与炸药量、混凝土的强度有关，继而寻找a、b与它们之间的关系。首先分析a、b与炸药量之间的关系：
a＝F1(W) (8)
b＝F2(W) (9)
式中，F1(W)、F2(W)为与炸药量有关的函数。
为了确定a、b的值，通过公式拟合，发现a/W1/3与b/W1/3(×10-10)在某一恒值的允许误差范围内波动，表1计算得出最大误差分别为2.39％、1.48％。据此，建立起了损伤体积与侧向刚度、炸药量之间的关系，拟合后的公式如(1)所示。
表1为a和b的影响因素计算表
Figure GDA0002616090040000051
续表一
Figure GDA0002616090040000061
公式(4)是在混凝土强度为40MPa下得出的结果，下面以40MPa混凝土强度为基准，研究相同炸药量下，在屏蔽厂房50m位置处，7种混凝土强度下的损伤体积与基准损伤体积比，得出如图2的曲线，对图2中的数据进行公示拟合，拟合结果如公式(3)。
将公式(1)代入(3)中，得出损伤体积与侧向刚度、炸药量和混凝土强度之间的关系，如公式(4)所示。
为了验证拟合公式的正确性，额外选取了5组工况，分别对应不同炸药量、侧向刚度、混凝土强度，通过数值模拟计算五种工况下的损伤体积，并与提出的预测公式进行对比，得出两者误差不超过6％，因此，此公式拟合程度较好，可以在一定程度上预测出在接触爆炸作用下的损伤体积。
(2)损伤形状的预测
根据损伤结果，分别测出在爆炸荷载下圆周的环、轴向损伤长度，根据长度比值计算出损伤形状指标，绘制在相同爆炸荷载下，损伤形状指标与抗拉刚度的关系图。从图4中看出，不同爆炸荷载的拟合曲线在一定范围内近似，因此得出损伤形状在一定范围内与炸药量无关，根据图4中的数据确定了表达损伤形状指标与抗拉刚度关系的表达式，如式(6)所示。
通过以上方法及分析，得出了炸药量、侧向刚度、混凝土强度与损伤体积之间的预测公式；抗拉刚度与损伤形状之间的预测公式，为AP1000型屏蔽厂房结构在爆炸荷载下的损伤体积与损伤形状的预测提供了可靠依据。

Claims (1)

1.一种AP1000核电屏蔽厂房在冲击荷载下的损伤预测方法，其特征在于，步骤如下：
(1)建立AP1000屏蔽厂房三维全耦合模型
根据实际情况，建立AP1000核电屏蔽厂房精细化三维有限元模型；
(2)损伤体积的预测
在三维有限元模型的基础上，进行损伤体积的预测，在接触爆炸中，冲击荷载一定条件下，结构的损伤主要与剪切破坏有关，侧向刚度是表征结构剪切变形的物理量，寻找结构的损伤体积与侧向刚度之间的联系，并提出相应的预测公式；为了探讨不同程度的损伤，以结构贯穿破坏，即损伤因子为1时的损伤体积作为评价指标；
通过AUTODYN模拟AP1000屏蔽厂房在冲击荷载下的爆炸情况，分析其在不同炸药量下的损伤情况，并确定损伤体积与侧向刚度、炸药量之间的关系；在炸药量一定时，拟合损伤体积与侧向刚度之间呈线性关系，再分析多组不同炸药量下的损伤体积，进而得出了炸药量、侧向刚度与损伤体积之间的关系，如公式(1)：
Vd-pre＝2.57·W1/3+9.37×10-10·D·W1/3 (1)
式中，W为炸药量；
D为侧向刚度；
Vd-pre为未考虑混凝土强度的损伤体积；
以上分析是在混凝土强度为40MPa下得出的结果，下面分析不同混凝土强度对AP1000屏蔽厂房结构在冲击荷载下产生的损伤体积的影响，计算出不同混凝土强度下的损伤体积V'd-pre，以混凝土强度为40MPa为基准，根据公式(2)计算出损伤体积比Cration，绘制损伤体积比与混凝土强度之间的曲线，根据曲线拟合出公式(3)：
Figure FDA0002616090030000021
式中，Cration为损伤体积比；
V'd-pre＝96245.78·Vd-pre·fc -0.655 (3)
式中，fc为混凝土强度；
V'd-pre为考虑混凝土强度后的损伤体积；
将公式(1)代入(3)中，得到如公式(4)所示的关系：
V'd-pre＝247351.7·W1/3fc -0.655+9.02×10-5·D·W1/3·fc -0.655 (4)
通过以上过程的描述，建立了炸药量、侧向刚度、混凝土强度与损伤体积之间的关系，可确定在不同混凝土材料、冲击荷载以及侧向刚度下，损伤的体积，为核电屏蔽厂房结构预测损伤体积提供了依据；
(3)损伤形状的预测
损伤形状由损伤形状的指标来表示，如公式(5)所示，即采用圆周环向、轴向长度的比值来表示，在爆炸荷载下，基于损伤体积的预测，进一步确定了损伤的形状，并建立了损伤形状指标与抗拉刚度之间的关系，公式如下(6)：
DI＝A/B (5)
DI＝0.833+4.631×10-13·E·AR (6)
式中，A为爆炸荷载下圆周的环向损伤长度；
B为爆炸荷载下圆周的轴向损伤长度；
DI为损伤形状指标；
E·AR为抗拉刚度。
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